Resistenza al fuoco delle strutture metalliche

Cosa si intende per resistenza al fuoco di un elemento?

Il concetto di resistenza al fuoco viene definito, nell’ambito della normativa nazionale, come l’attitudine di un elemento da costruzioni, componente o struttura, a conservare, secondo un programma termico prestabilito e per un tempo determinato, in tutto o in parte, i seguenti requisiti:

• La stabilità o capacità portante (R): l’attitudine di un elemento da costruzione a conservare la resistenza meccanica.

• La tenuta o integrità (E): attitudine di un elemento da costruzione a non lasciar passare né produrre, se sottoposto all’azione del fuoco su un lato, fiamme, vapori o gas caldi sul lato non esposto (D.M.Int. 30/11/1983); capacità delle membrature di separazione a prevenire il passaggio di gas caldi o l’ignizione al di là della superficie esposta, durante la pertinente esposizione al fuoco (Eurocodici).

• L’isolamento termico (I): l’ attitudine di un elemento da costruzione a ridurre, entro un dato limite, la trasmissione del calore (D.M.Int. 30/11/1983); capacità di una membratura di separazione di prevenire un’eccessiva trasmissione di calore (Eurocodici).

In definitiva, con il simbolo R si identifica un elemento costruttivo che, in caso di incendio, deve conservare la sola stabilità (ad esempio una trave o un pilastro isolati),

con il simbolo RE si identifica un elemento costruttivo che deve conservare sia la stabilità sia la tenuta (ad esempio un muro o un solaio che hanno funzione di separazione e per i quali non è necessario limitare l’incremento di temperatura sulla faccia dell’elemento non esposta all’incendio),

con il simbolo REI si identifica un elemento costruttivo che deve conservare la stabilità, la tenuta e l’isolamento (come l’esempio precedente quando si vuole anche limitare l’incremento di temperatura sulla faccia dell’elemento non esposta all’incendio).

La normativa

La verifica della resistenza al fuoco di un elemento costruttivo può essere ottenuta mediante:

1. Prove di laboratorio su un campione rappresentativo dell’elemento in oggetto, eseguite ai sensi di norme armonizzate o linee guida EOTA;

2. Mediante criteri di progetto e metodi di calcolo armonizzati;

3. Mediante combinazione di quanto previsto in 1 e 2.

Per quanto riguarda i metodi di calcolo per le strutture in acciaio, le norme di riferimento sono:

  • Norme Tecniche per le Costruzioni;
  • EN1993-1.2 Progetto di strutture in acciaio. Parte 1.2: Regole generali – Progetto strutturale in caso di incendio; Appendice Tecnica Nazionale;
  • EN1994-1.2 Progetto di strutture composte in acciaio e calcestruzzo. Parte 1.2: Regole generali – progetto strutturale in caso di incendio Appendice Tecnica Nazionale.

L’approccio prestazionale

Oggi i più recenti regolamenti, prevedono la possibilità di eseguire la verifica della sicurezza strutturale in caso di incendio mediante un approccio di tipo prestazionale. Questo approccio è basato sull’applicazione di modelli di calcolo definiti sia per la determinazione della temperatura nell’ambiente (incendio naturale di progetto) e negli elementi strutturali (analisi termica degli elementi), sia per il comportamento meccanico dell’organismo strutturale (analisi strutturale in caso di incendio). Esso, essendo basato su uno studio dello specifico caso di incendio che può verificarsi, comprendente anche l’efficacia degli strumenti di protezione attiva e passiva di cui è dotato l’edificio, permette una più approfondita verifica del comportamento della struttura in caso di incendio e, di conseguenza, una maggiore affidabilità della sicurezza.

Occupiamoci dell’approccio prestazionale, che risulta quello più ingegneristico e più innovativo.

Il comportamento di una trave in acciaio sottoposta ad incendio può essere ingegneristicamente definito attraverso tre distinti sottomodelli.

FASE 1: definizione dell’incendio di progetto:

  • costruzione, geometria dei locali, ventilazione;
  • attività e materiali combustibili;
  • misure di protezione attiva.

Da ciò ricaviamo il modello di incendio e quindi l’azione termica sull’elemento analizzato.

FASE 2: analisi termica della struttura:

  • posizione e geometria degli elementi;
  • proprietà chimiche dei materiali della struttura;
  • contributo di eventuali sistemi protettivi.

Da ciò ricaviamo il modello di trasmissione del calore  e quindi la temperatura della struttura.

FASE 3: analisi strutturale:

  • schematizzazione strutturale;
  • analisi dei carichi meccanici;
  • proprietà meccaniche dei materiali.

Da ciò ricaviamo il modello di calcolo strutturale e quindi la capacità portante.

Una volta definito l’incendio e quindi la temperatura del gas esterno, qual è la temperatura all’interno degli elementi strutturali che ci interessa verificare o studiare? La determinazione della distribuzione della temperatura all’interno di un elemento strutturale richiede la soluzione di un problema non lineare di trasmissione del calore.

La trasmissione del calore avviene attraverso tre meccanismi fondamentali: conduzione, convezione e irraggiamento.

  • CONDUZIONE: è il meccanismo che si genera tra due corpi posti a contatto a diversa temperatura;
  • CONVEZIONE: è il meccanismo che si genera tra due fluidi o tra un fluido e un corpo;
  • IRRAGGIAMENTO: è il meccanismo che si genera tra due corpi non a contatto ma in mutua esposizione.
 Le grandezze dell’elemento strutturale che occorre conoscere per determinare la sua temperatura, nota quella del gas esterno, sono: densità (kg/mc), calore specifico (J/(kg K)), conducibilità termica (W/mK). Le ultime due grandezze sono funzione della temperatura! Per l’analisi termica degli elementi strutturali si possono impiegare modelli di tipo avanzato, con l’impiego di elementi finiti, ovvero metodi semplificati che si basano su soluzioni approssimate in forma chiusa.
In ogni caso la soluzione risolutiva del problema di trasmissione è sempre data dall’equazione di Fourier:
dove:
λ=conducibilità termica del materiale;
c= calore specifico;
t= tempo;
θ = θ (t, x, y, z) = temperatura.
Si riesce a dimostrare che

è l’incremento di temperatura nell’acciaio nell’intervallo di tempo tra t e (t+Δt) [°C]

è il flusso netto di calore trasmesso alla superficie dell’elemento strutturale e α il coefficiente di scambio per convezione.

= Fattore di sezione o massività riferito alla parte i-esima del profilo Vi

tale fattore è il rapporto tra l’area della superficie attraverso cui il calore viene trasferito all’acciaio ed il volume dell’acciaio. Se la temperatura si ritiene uniforme su tutto l’elemento strutturale Am,i/Vi = Am/V. Se gli elementi hanno sezione costante:

Am/V=(perimetro della sezione)/(area della sezione trasversale)

Tale fattore indica quanto rapidamente si scalda una sezione. Tanto più grande è tanto più velocemente si riscalda la sezione.

Sezione con lo stesso perimetro ma differente sezione trasversale.

Fattore di sezione per elementi in acciaio non protetti.
 Se l’elemento strutturale è protetto esternamente a parità di temperatura del gas esterno si riscalderà meno. In questo caso l’equazione precedente cambia in:
dove:

λp = conducibilità termica del materiale di protezione dp = spessore del materiale di protezione;

dp= spessore del materiale di protezione;

θa,t = temperatura dell’acciaio al tempo t;

θg,t = temperatura del gas dell’ambiente al tempo t;

Δt = intervallo finito di tempo.

I protettivi più utilizzati per elementi strutturali in acciaio.
Proprietà di alcuni materiali protettivi di tipo passivo.

Una volta definito l’incendio e la risposta termica della sezione devo effettuare l’analisi strutturale. Le combinazioni di carico per la situazione eccezionale di incendio sono definite dalle NTC 2008 e dagli Eurocodici come:

ψ 2,1 = coefficiente di combinazione per il valore quasi permanente delle azioni.

E’ importante sottolineare che nelle norme non si considerano più azioni eccezionali concomitanti (es. fuoco+sisma) cosa che invece può avvenire in pratica; è necessario considerare combinazioni di carico diverse, ponendo di volta in volta come principali le varie azioni accidentali, a meno che non sia immediato riconoscere quale azione è principale; Ad(t) sono le azioni termiche indirette, ovvero le sollecitazioni che si generano nella struttura a causa delle dilatazioni termiche impedite; negli Eurocodici e nel D.M. Ministero dell’Interno del 09/03/2007 si dice chiaramente che tali azioni possono essere trascurate se si fa riferimento ad un incendio nominale, sono invece da tenere in conto se si fa riferimento a modelli più raffinati. Nelle NTC 2008 non si dice niente (!).

La verifica dell’elemento deve essere condotta come: 

Se le azioni indirette possono trascurarsi, può scriversi:

ovvero le sollecitazioni nella combinazione di incendio (SLU) sono ηi-volte quelle determinate sempre allo SLU ma a freddo.
L’Eurocodice consiglia di assumere ηi = 0.65 ÷ 0.7.

E per le resistenze R fi,d,t? Intanto occorre osservare che a causa dell’esposizione all’incendio si degradano le proprietà resistenti dei singoli materiali.

Fattori di riduzione della resistenza e della rigidezza per l’acciaio strutturale.
Fattori di riduzione della resistenza per calcestruzzo normale (NC) e alleggerito (LC).
Valori dei principali parametri della relazione tensione – deformazione per calcestruzzo normale (NC) e calcestruzzo alleggerito (LC) in funzione della temperatura.

Quindi come risulta ovvio la resistenza a parità di sezione metallica varia con il tempo.Osservare che con il tempo varia anche il modulo elastico dell’acciaio, quindi riferendosi all’esempio della colonna precedente, se avessi voluto trovare l’allungamento della colonna e quindi NR(t) ad una temperatura di 500°C non si poteva scrivere:

Avrei dovuto suddividere l’intervallo di tempo che sulla curva ISO corrisponde al raggiungimento di 500°C in intervalli Δt,i scrivendo per ciascuno di questi:

Da notare che la verifica poteva condursi anche secondo altri formati, ovvero:

  • nel dominio del tmpo

  • nel dominio della temperatura

Per l’ingegnere strutturista è ovviamente più semplice ragionare in termini di sollecitazioni e resistenze. E’ da osservare che anche gli stessi vincoli possono essere influenzati dalla temperatura.

 Come può condursi l’analisi strutturale in caso di incendio? Vediamo alcuni semplici esempi di sollecitazione.

Elementi TESI

Dove: k y,θ = fattore di riduzione alla temperatura θ della tensione di snervamento;
γ M,0 = coefficiente parziale di sicurezza per la resistenza alla temperatura ordinaria
γ M,fi = coefficiente parziale di sicurezza per la resistenza in caso di incendio (γ M,fi =1)

Quindi:

Se la temperatura della sezione non è uniforme, è possibile suddividere la sezione in sottoelementi in ciascuno dei quali può immaginarsi costante la temperatura e determinare la resistenza della sezione al tempo t come somma delle resistenze dei singoli elementi.

Elementi COMPRESSI

Gli elementi compressi, sottoposti ad alta temperatura, sono più facilmente sottoposti ad instabilità dell’equilibrio poiché diminuisce il modulo elastico dell’acciaio. Può diminuire però in qualche caso anche la lunghezza libera di inflessione, se l’incendio è compartimentato.

Si determina la “snellezza” a freddo:

Si determina la “snellezza” a caldo:

Si effettua la verifica di instabilità:

 

Elementi sottoposti a FLESSIONE e TAGLIO con travi di sezione in classe 1,2,3

Taglio:

Flessione

  • Per sezioni di classe 1 e 2 : 
  • Per sezioni di classe 3: 

Dove:

  1. k1 = fattore di adattamento che tiene conto di temperatura non uniforme nella sezione trasversale: per sezioni totalmente esposte k1 = 1, per sezioni esposte su tre lati k1 = 0.85, per sezioni protette su tre lati k1 = 0.7.
  2. k2 = fattore di adattamento che tiene conto di temperatura non uniforme lungo l’asse.

Per sezioni in cui si ha concomitanza di taglio e flessione con valori elevati del taglio si considera una tensione di snervamento pari a:

La stessa relazione valida a freddo, può utilizzarsi anche a caldo, sostituendo nell’ultima formula:

Per una verifica semplificata o primo dimensionamento degli elementi può utilizzarsi il “Nomogramma”. Si tratta in sostanza di una verifica tabellare.Tale metodo si basa sul concetto di “coefficiente di utilizzazione”.

Per gli elementi compressi, invece, nota la snellezza a freddo e la tensione critica di compressione:

  

Si utilizzano tabelle, in base alle quali si può ottenere la temperatura critica.

Per le travi composte acciaio-calcestruzzo come si valuta la resistenza al fuoco? Intanto occorre considerare che la piattabanda e la parte superiore della trave in generale si riscaldano meno della parte inferiore.

Questo fa subito capire che la dilatazione della parte inferiore è parzialmente contrastata da quella superiore e quindi nascono rilevanti sollecitazioni aggiuntive sui connettori. Esistono metodi di verifica analitici e tabellari che riguardano requisiti geometrici e di resistenza (EC4).

Tabella progettuale con dimensioni minime ed armature aggiuntive minime per travi composte parzialmente rivestite (Tabella 4.1 dell’EN 1994-1-2, 2005).

Minime distanze delle armature dai bordi per travi composte parzialmente rivestite (Tabella 4.2 dell’EN 1994-1-2, 2005)

Copriferro necessario per travi composte completamente rivestite in funzione della classe di resistenza al fuoco (Tabella 4.3 dell’EN 1994-1-2, 2005).

Riferendosi alle verifiche precedenti, si noti come gli elementi fossero di tipo isostatico. E’ possibile tenere conto della presenza delle strutture di contorno, effettuando con metodi più o meno complessi analisi strutturali non lineari (per materiali e geometria) dell’intera struttura o di sottostrutture.

           

Ci interessa fare delle considerazioni di tipo generale per comprendere il reale comportamento di un elemento strutturale in acciaio sottoposto all’azione del fuoco, anche in relazione alle strutture di contorno. Per la singola trave con profilo a “I”,a causa dell’elevata conducibilità dell’acciaio, la temperatura è abbastanza costante sulla sezione. Tuttavia la flangia superiore, anche per la presenza di un solaio, tende a riscaldarsi un po’ meno.

l decadimento delle proprietà resistenti in una trave (isostatica) segue praticamente quello del materiale ma, naturalmente, la crisi può avvenire in modo anticipato a causa dell’instabilità dell’equilibrio, visto che il modulo elastico si degrada più rapidamente della resistenza. E’ importante seguire il comportamento fino a collasso di un elemento strutturale soggetto a fuoco perché si verificano comportamenti del tutto contrari rispetto a quelli che possono avvenire a freddo.

FASE A: Nascita di momenti negativi di estremità, la trave + compressa, allungamenti assiali, incremento della freccia.

FASE B: Avviene l’instabilità dell’equilibrio (è come se la trave assumesse minor rigidezza assiale e flessionale). Si riducono i momenti di estremità e le forze assiali.

FASE C: A causa della riduzione sempre più ampia del modulo elastico si incrementa la freccia, la trave tende a portare il carico come se fosse una fune e non una trave.

 

FASE D: analogo comportamento della fase C anche se più pronunciato.

Prima di concludere, è importante sottolineare che solo il 40% delle travi protette con l’approccio prestazionale e questo la dice lunga sulla reale attenzione con cui i professionisti considerano il problema della resistenza al fuoco.

Articolo con il contributo del Prof. Ing. Enrico Mangoni.